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摘 要：该文通过沥青物理-流变特性的改变，研究了橡胶粉改性剂（CRM）对沥青流变特性的影响。通过动态剪切流变（DSR）试验，布氏粘度试验，软化点试验和针入度试验研究了老化对沥青物理和流变特性的影响。结果表明，橡胶粉降低了老化对沥青物理和流变特性的影响。随橡胶粉掺量增加，粘度老化指数和G*/sinδ老化指数降低，而tanδ老化指数增加，表明，橡胶粉可以提高沥青的抗老化能力。橡胶粉改性使软化点增量（ΔS）和橡胶沥青针入度老化率（PAR）大幅度降低。此外，橡胶粉掺量越高，PAV老化后G*sinδ越低，沥青抗疲劳开裂能力提高。
关键词：道路工程；橡胶沥青；老化；流变特性
中图分类号：U414 文献标识码：A
Physical and Rheological Properties of Aged Rubberised Bitumen
DING Hai-bo
Abstract：In this paper， through the asphalt physical - changes in rheological properties were studied crumb rubber modifier （CRM） on the rheological properties of the asphalt. Through dynamic shear rheology （DSR） test， brookfield viscosity test， softening point test and penetration test study of aging on asphalt physical and rheological characteristics. The results show that the aging of rubber on asphalt powder reduces physical and rheological characteristics. With rubber powder content increases， the viscosity aging index and G*/sinδ aging index decreased， while tanδ aging index increased， indicating that asphalt rubber powder can improve the anti-aging ability. Rubber powder modified so that the softening point increment （ΔS） and rubber asphalt penetration aging rate （PAR） significantly reduced. In addition， the higher dosage rubber powder，PAV aging G*sinδ lower resistance to fatigue cracking of asphalt increased.
Key Words： road engineering，rubber asphalt，age， rheological properties
1 引言
在沥青中添加橡胶粉（废胎）用于沥青改性是一种既经济又环保的技术。老化是影响沥青胶结料性能的一个重要的因素。Mohamed等人[1]研究了低CRM掺量对老化后沥青流变特性的影响，报道称，沥青胶结料流变特性的改变使橡膠沥青力学性能得到改善。Abdelaziz和Karim[2]对老化后橡胶沥青的流变性能进行了评估，结果表明，CRM使沥青复数模量增加和相位角减少。Aflaki和Memarzadeh[3]使用不同搅拌方法研究了橡胶粉对沥青中温疲劳性能的影响，结果表明，高速剪切拌和与低速剪切拌和相比可更好地改善沥青中温性能。老化显著改变了沥青的化学和物理特性[4]。老化指数试验是确定沥青老化敏感性和对不同沥青进行分级的一种有效方法。老化指数为沥青老化前后性能参数的比值。
尽管国内外对橡胶沥青展开了大量的研究，但对于老化阶段对橡胶沥青物理和流变特性的影响缺乏系统的研究。该文的主要目的是研究橡胶粉掺量对老化前后沥青物理和流变特性的影响。
2 实验及材料
使用的基质沥青为90号道路石油沥青，其特性和老化前后的化学组分，分别如表1和表2。橡胶粉的级配如表3。通过将基质沥青与CRM（沥青质量的8%和16%）拌和来制备橡胶沥青。采用螺旋桨式搅拌机在180℃下搅拌，以200rpm的转速持续60min使基质沥青与橡胶粉充分拌和。
表1 90号沥青的物理和流变特性
表2 原样沥青老化前后的化学组分
表3 橡胶粉颗粒级配
分别对制得的沥青试样进行RTFOT、PAV老化试验来模拟短期及长期老化。通过布氏旋转粘度，针入度，软化点及动态剪切流变试验研究橡胶沥青的老化。研究中DSR试验条件如表4。
表4 DSR试验条件
3 结果和讨论
3.1高温性能特性
3.1.1布氏粘度（135℃）
图1和图2分别显示了不同胶粉掺量和老化条件下粘度的结果。可以看出，增加胶粉掺量使橡胶沥青粘度提高。此外，在RTFOT老化条件下，8%和16%的橡胶粉使改性沥青粘度分别提高36%和44%，同时， PAV老化条件下的粘度分别提高78%和82%。因此，橡胶粉掺量增加对橡胶沥青老化后粘度与基质沥青老化后的粘度的比值有显著的影响，相关系数R2达0.997。原因是氧化后，低分子量的沥青组分转化为沥青质（分子量最高的组分），通过沥青老化前后化学组分分析可以清楚地看出（表2）。 图1 粘度随胶粉用量的变化
图2 粘度随老化阶段的变化
基质沥青和橡胶沥青RTFOT及PAV老化后的粘度老化指数（VAI）如图3。VAI按式（2）计算[17]：
图3 RTFOT和PAV后粘度老化指数
， （2）
其中，VAI为粘度老化指数， 和 分别为未经老化和老化后的粘度值。可以看出，橡胶沥青短期老化（RTFOT）和长期老化（PAV）后的粘度老化指数明显低于基质沥青，说明CRM能够提高沥青耐热氧老化性能。该结果可通过老化过程中沥青化学组分的变化解释，即沥青质含量的增加使胶结料粘性流动能力增加。使用粘度老化指数确定老化对基质沥青和改性沥青的影响，可以更加清晰地反映老化的程度 [17]。
3.1.2针入度老化率结果
针入度老化率是反映老化对沥青物理特性影响的一个可选择的方法。针入度老化率（PAR）按式（3）计算：
（3）
不同老化条件下，PAR随CRM用量的变化如图4。结果表明，经两种不同的老化过程后，基质沥青和橡胶沥青的针入度均降低。此外，CRM掺量越高，针入度老化率越低，橡胶沥青的老化程度降低。因此，添加CRM后可使沥青抗氧化老化的能力提高。
图4 老化对沥青针入度的影响
3.1.3软化点增量（ΔS）
软化点增量也是衡量沥青老化程度很好的指标。通过式（4）计算：
，（4）
其中，ΔS为软化点增量， 为老化后的软化点， 为未经老化的软化点。图5显示了CRM对RTFOT和PAV老化后软化点增量的影响。结果表明，随着CRM掺量的增加，RTFOT和PAV老化后的软化点提高，表明老化过程中材料的硬化程度。随着CRM掺量的增加，与基质沥青软化点增量（ΔS）相比，橡胶沥青的ΔS较低。这可通过老化过程中沥青组分的分子结构改变来解释[17，18]。因此，使用CRM可大幅度提高沥青的抗老化性能，表现出较低的老化硬化。
图5 老化对沥青软化点增量的影响
3.1.4老化对流变特性的影响（76℃）
采用动态剪切流变试验确定基质沥青和橡胶沥青76℃下的车辙因子（G*/sinδ），结果如图6。可以看出，CRM掺量越高，车辙因子G*/sinδ越高。此外，CRM掺量分别为8%和16%的橡胶沥青经RTFOT老化与未老化的基质沥青相比G*/sinδ分别提高11%和21%。PAV老化条件下，对8%和16%的橡胶掺量其G*/sinδ与未老化的基质沥青相比分别提高38%和60%。因此，PAV老化后，CRM用量对车辙因子（G*/sinδ）有显著的影响，二者之间相关系数R2=0.995。橡胶沥青试验结果满足Superpave胶结料规范关于RTFOT后G*/sinδ应当大于2.2Pa的要求。图7显示了车辙因子老化指数随CRM的变化。按式（5）计算车辙因子老化指数：
图6 G*/sinδ随橡胶粉用量的变化
图7 沥青G*/sinδ老化指数随CRM用量的变化
（5）
式中，AIRF为车辙因子老化指数， 和 分别为老化前后的G*/sinδ。如图7所示，基质沥青有较高AIRF，表明沥青对老化更加敏感。当在试样中添加CRM，橡胶沥青的AIRF较低，表明CRM降低了沥青的老化敏感性。
3.2中温疲劳性能
SHRP规范对G*sinδ的上限最大值为5000kPa，其值越小表明抗疲劳开裂的能力越好[16]。该研究中，在31℃时对未老化沥青及PAV老化后的橡胶沥青进行DSR试验确定疲劳因子G*sinδ，结果如图9。可以看出，CRM掺量越高导致橡胶沥青的G*sinδ越低。对CRM掺量为8%和16%的沥青，经PAV老化后，G*sinδ分别降低13%和25%。因此，CRM掺量对PAV老化后橡胶沥青疲劳因子G*sinδ有显著的影响，且二者相关系数R2=0.816。老化后，G*sinδ降低，剪切能量损失降低，抗疲劳的能力更好。同时，31℃下橡胶沥青的G*sinδ较基质沥青低，表明CRM能够提高沥青的抗疲劳性能。
4 结论
通过上述分析可以得出以下结论：
（1）通过较低的粘度老化指数，76℃下较低的G*/sinδ老化指数可以看出，使用CRM降低了老化对沥青物理和流变特性的影响，表明沥青与CRM相互作用降低了老化效应。
图9 G*sinδ随橡CRM用量的变化
（2）在沥青中掺加CRM使沥青的软化点增量（ΔS）和针入度老化率（PRA）显著降低。
（3）橡胶沥青和基质沥青的粘度老化指数差别显著，再次说明了CRM的降低沥青老化作用的效果。
（4）31℃时CRM的掺量越高，PAV老化后的G*sinδ越低，表明抗疲劳开裂能力提高。
（5）橡胶粉改性剂增加了沥青胶结料的劲度，提高了其抗车辙能力。
参考文献
[1] A. A. Mohamed， O. Husaini， M. O.Rheological properties of crumb rubber modified bitumen containing antioxidant[J].The Arabian Journal For Science and Engineering，2009，34（1）.
[2] M.Abdelaziz and M. R. Karim.Rheological evaluation of ageing properties of rubber crumb modified bitumen[J].Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies，2003，5（5），820-833.
[3] S.Aflaki and M.Memarzadeh.Using two-way ANOVA and hypothesis test in evaluating crumb rubber modification （CRM） agitation effects on rheological properties of bitumen[J].Construction and Building Materials，2011，25（4）：2094-2106
[4] E.Charania，Twenty year study of asphalt rubber pavement in Phoenix[J].Transportation Research Board，1991，1307（5）： 29-38.
作者簡介：
丁海波，男，（1990-），江苏盐城人，重庆交通大学土木建筑学院研究生，硕士，主要研究方向：路面结构与材料。
关键词：道路工程；橡胶沥青；老化；流变特性
中图分类号：U414 文献标识码：A
Physical and Rheological Properties of Aged Rubberised Bitumen
DING Hai-bo
Abstract：In this paper， through the asphalt physical - changes in rheological properties were studied crumb rubber modifier （CRM） on the rheological properties of the asphalt. Through dynamic shear rheology （DSR） test， brookfield viscosity test， softening point test and penetration test study of aging on asphalt physical and rheological characteristics. The results show that the aging of rubber on asphalt powder reduces physical and rheological characteristics. With rubber powder content increases， the viscosity aging index and G*/sinδ aging index decreased， while tanδ aging index increased， indicating that asphalt rubber powder can improve the anti-aging ability. Rubber powder modified so that the softening point increment （ΔS） and rubber asphalt penetration aging rate （PAR） significantly reduced. In addition， the higher dosage rubber powder，PAV aging G*sinδ lower resistance to fatigue cracking of asphalt increased.
Key Words： road engineering，rubber asphalt，age， rheological properties
1 引言
在沥青中添加橡胶粉（废胎）用于沥青改性是一种既经济又环保的技术。老化是影响沥青胶结料性能的一个重要的因素。Mohamed等人[1]研究了低CRM掺量对老化后沥青流变特性的影响，报道称，沥青胶结料流变特性的改变使橡膠沥青力学性能得到改善。Abdelaziz和Karim[2]对老化后橡胶沥青的流变性能进行了评估，结果表明，CRM使沥青复数模量增加和相位角减少。Aflaki和Memarzadeh[3]使用不同搅拌方法研究了橡胶粉对沥青中温疲劳性能的影响，结果表明，高速剪切拌和与低速剪切拌和相比可更好地改善沥青中温性能。老化显著改变了沥青的化学和物理特性[4]。老化指数试验是确定沥青老化敏感性和对不同沥青进行分级的一种有效方法。老化指数为沥青老化前后性能参数的比值。
尽管国内外对橡胶沥青展开了大量的研究，但对于老化阶段对橡胶沥青物理和流变特性的影响缺乏系统的研究。该文的主要目的是研究橡胶粉掺量对老化前后沥青物理和流变特性的影响。
2 实验及材料
使用的基质沥青为90号道路石油沥青，其特性和老化前后的化学组分，分别如表1和表2。橡胶粉的级配如表3。通过将基质沥青与CRM（沥青质量的8%和16%）拌和来制备橡胶沥青。采用螺旋桨式搅拌机在180℃下搅拌，以200rpm的转速持续60min使基质沥青与橡胶粉充分拌和。
表1 90号沥青的物理和流变特性
表2 原样沥青老化前后的化学组分
表3 橡胶粉颗粒级配
分别对制得的沥青试样进行RTFOT、PAV老化试验来模拟短期及长期老化。通过布氏旋转粘度，针入度，软化点及动态剪切流变试验研究橡胶沥青的老化。研究中DSR试验条件如表4。
表4 DSR试验条件
3 结果和讨论
3.1高温性能特性
3.1.1布氏粘度（135℃）
图1和图2分别显示了不同胶粉掺量和老化条件下粘度的结果。可以看出，增加胶粉掺量使橡胶沥青粘度提高。此外，在RTFOT老化条件下，8%和16%的橡胶粉使改性沥青粘度分别提高36%和44%，同时， PAV老化条件下的粘度分别提高78%和82%。因此，橡胶粉掺量增加对橡胶沥青老化后粘度与基质沥青老化后的粘度的比值有显著的影响，相关系数R2达0.997。原因是氧化后，低分子量的沥青组分转化为沥青质（分子量最高的组分），通过沥青老化前后化学组分分析可以清楚地看出（表2）。 图1 粘度随胶粉用量的变化
图2 粘度随老化阶段的变化
基质沥青和橡胶沥青RTFOT及PAV老化后的粘度老化指数（VAI）如图3。VAI按式（2）计算[17]：
图3 RTFOT和PAV后粘度老化指数
， （2）
其中，VAI为粘度老化指数， 和 分别为未经老化和老化后的粘度值。可以看出，橡胶沥青短期老化（RTFOT）和长期老化（PAV）后的粘度老化指数明显低于基质沥青，说明CRM能够提高沥青耐热氧老化性能。该结果可通过老化过程中沥青化学组分的变化解释，即沥青质含量的增加使胶结料粘性流动能力增加。使用粘度老化指数确定老化对基质沥青和改性沥青的影响，可以更加清晰地反映老化的程度 [17]。
3.1.2针入度老化率结果
针入度老化率是反映老化对沥青物理特性影响的一个可选择的方法。针入度老化率（PAR）按式（3）计算：
（3）
不同老化条件下，PAR随CRM用量的变化如图4。结果表明，经两种不同的老化过程后，基质沥青和橡胶沥青的针入度均降低。此外，CRM掺量越高，针入度老化率越低，橡胶沥青的老化程度降低。因此，添加CRM后可使沥青抗氧化老化的能力提高。
图4 老化对沥青针入度的影响
3.1.3软化点增量（ΔS）
软化点增量也是衡量沥青老化程度很好的指标。通过式（4）计算：
，（4）
其中，ΔS为软化点增量， 为老化后的软化点， 为未经老化的软化点。图5显示了CRM对RTFOT和PAV老化后软化点增量的影响。结果表明，随着CRM掺量的增加，RTFOT和PAV老化后的软化点提高，表明老化过程中材料的硬化程度。随着CRM掺量的增加，与基质沥青软化点增量（ΔS）相比，橡胶沥青的ΔS较低。这可通过老化过程中沥青组分的分子结构改变来解释[17，18]。因此，使用CRM可大幅度提高沥青的抗老化性能，表现出较低的老化硬化。
图5 老化对沥青软化点增量的影响
3.1.4老化对流变特性的影响（76℃）
采用动态剪切流变试验确定基质沥青和橡胶沥青76℃下的车辙因子（G*/sinδ），结果如图6。可以看出，CRM掺量越高，车辙因子G*/sinδ越高。此外，CRM掺量分别为8%和16%的橡胶沥青经RTFOT老化与未老化的基质沥青相比G*/sinδ分别提高11%和21%。PAV老化条件下，对8%和16%的橡胶掺量其G*/sinδ与未老化的基质沥青相比分别提高38%和60%。因此，PAV老化后，CRM用量对车辙因子（G*/sinδ）有显著的影响，二者之间相关系数R2=0.995。橡胶沥青试验结果满足Superpave胶结料规范关于RTFOT后G*/sinδ应当大于2.2Pa的要求。图7显示了车辙因子老化指数随CRM的变化。按式（5）计算车辙因子老化指数：
图6 G*/sinδ随橡胶粉用量的变化
图7 沥青G*/sinδ老化指数随CRM用量的变化
（5）
式中，AIRF为车辙因子老化指数， 和 分别为老化前后的G*/sinδ。如图7所示，基质沥青有较高AIRF，表明沥青对老化更加敏感。当在试样中添加CRM，橡胶沥青的AIRF较低，表明CRM降低了沥青的老化敏感性。
3.2中温疲劳性能
SHRP规范对G*sinδ的上限最大值为5000kPa，其值越小表明抗疲劳开裂的能力越好[16]。该研究中，在31℃时对未老化沥青及PAV老化后的橡胶沥青进行DSR试验确定疲劳因子G*sinδ，结果如图9。可以看出，CRM掺量越高导致橡胶沥青的G*sinδ越低。对CRM掺量为8%和16%的沥青，经PAV老化后，G*sinδ分别降低13%和25%。因此，CRM掺量对PAV老化后橡胶沥青疲劳因子G*sinδ有显著的影响，且二者相关系数R2=0.816。老化后，G*sinδ降低，剪切能量损失降低，抗疲劳的能力更好。同时，31℃下橡胶沥青的G*sinδ较基质沥青低，表明CRM能够提高沥青的抗疲劳性能。
4 结论
通过上述分析可以得出以下结论：
（1）通过较低的粘度老化指数，76℃下较低的G*/sinδ老化指数可以看出，使用CRM降低了老化对沥青物理和流变特性的影响，表明沥青与CRM相互作用降低了老化效应。
图9 G*sinδ随橡CRM用量的变化
（2）在沥青中掺加CRM使沥青的软化点增量（ΔS）和针入度老化率（PRA）显著降低。
（3）橡胶沥青和基质沥青的粘度老化指数差别显著，再次说明了CRM的降低沥青老化作用的效果。
（4）31℃时CRM的掺量越高，PAV老化后的G*sinδ越低，表明抗疲劳开裂能力提高。
（5）橡胶粉改性剂增加了沥青胶结料的劲度，提高了其抗车辙能力。
参考文献
[1] A. A. Mohamed， O. Husaini， M. O.Rheological properties of crumb rubber modified bitumen containing antioxidant[J].The Arabian Journal For Science and Engineering，2009，34（1）.
[2] M.Abdelaziz and M. R. Karim.Rheological evaluation of ageing properties of rubber crumb modified bitumen[J].Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies，2003，5（5），820-833.
[3] S.Aflaki and M.Memarzadeh.Using two-way ANOVA and hypothesis test in evaluating crumb rubber modification （CRM） agitation effects on rheological properties of bitumen[J].Construction and Building Materials，2011，25（4）：2094-2106
[4] E.Charania，Twenty year study of asphalt rubber pavement in Phoenix[J].Transportation Research Board，1991，1307（5）： 29-38.
作者簡介：
丁海波，男，（1990-），江苏盐城人，重庆交通大学土木建筑学院研究生，硕士，主要研究方向：路面结构与材料。